ISSN : 2337-4888

Volume 7, No. 1, Tahun 2018

TEKNIK KIMIA - USU

JURNAL

Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara

JURNAL TEKNIK KIMIA USU

Jurnal Teknik Kimia USU merupakan jurnal elektronik yang mulai tahun 2018 terbit 2

kali dalam setahun yaitu pada bulan Maret dan bulan September oleh Departemen

Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Jurnal ini merupakan

media publikasi karya ilmiah teknik kimia.

Dewan Editor Jurnal Teknik Kimia USU

Ketua Dewan Editor

Dr. Eng. Rondang Tambun, ST, MT (Dept. Teknik Kimia USU, h-index Scopus : 3)

Anggota Dewan Editor

Dr. Sri Mulyati, ST, MT, (Dept. Teknik Kimia, Universitas Syiah Kuala, h-index Scopus : 5)

Prof. Ir. Indra Surya, MSi, PhD (Dept. Teknik Kimia USU, h-index Scopus : 7)

Prof. Dr. Eng. Irvan, MSi (Dept. Teknik Kimia USU, h-index Scopus : 6)

Erni Misran, ST, MT, PhD (Dept. Teknik Kimia USU, h-index Scopus : 2)

Bode Haryanto, ST, MT, PhD (Dept. Teknik Kimia USU, h-index Scopus : 3)

Sekretaris Redaksi

Eric Kadhy, SKom

Penerbit

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

Sekretariat Redaksi

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara

Jl. Almamater Kampus USU Medan 20155. Telp: (061) 8214396; Email: dtk@usu.ac.id

Website: http://jurnal.usu.ac.id/index.php/jtk

ISSN : 2337-4888

i

JURNAL TEKNIK KIMIA USU, Vol. 7, No. 1 (Maret 2018)

DAFTAR ISI

Kendali Sistem Bioreaktor Kontinyu

Rudy Agustriyanto

1

Sintesis Stearamida Dari Asam Stearat Dan Urea Menggunakan Pelarut Campuran : Pengaruh

Temperatur Dan Waktu Reaksi

Muhammad Syukri, Zuhrina Masyithah

5

Ekstraksi Kalium dari Abu Kulit Buah Kelapa (Cocos Nucifera L.) Menggunakan Pelarut

Aquadest

Gilang Ramadhan, Lilis Sukeksi

9

Perbandingan Gugus Fungsi dan Morfologi Permukaan Karbon Aktif dari Pelepah Kelapa

Sawit Menggunakan Aktivator Asam Fosfat (H3PO4) dan Asam Nitrat (HNO3)

Vidyanova Anggun Mentari, Gewa Handika, Seri Maulina

16

Studi Pengolahan Air Buangan Domestik Menggunakan Digester Anaerobik Satu Tahap dan

Dua Tahap

Tamaria Kesia Hutasoit, Halimatuddahliana, dan Amir Husin

21

Pembuatan Biobriket dari Pelepah dan Cangkang Kelapa Sawit: Pengaruh Komposisi Bahan

Baku dan Ukuran Partikel

Okta Bani, Iriany, Taslim, Cici Novita Sari, Cindy Carnella

28

Pengolahan Limbah Cair Tahu Menggunakan Bioreaktor Anaerob Satu Tahap dan Dua Tahap

Secara Batch

Florence T.N. Silalahi, Halimatuddahliana, dan Amir Husin

34

Efektifitas Jenis Desikan dan Kecepatan Udara Terhadap Penyerapan Uap Air di Udara

Rosdanelli Hasibuan, Ivo Dian Sari Marbun

41

Pengaruh Penambahan Lauril Alkohol Terhadap Sifat-Sifat Uji Tarik Komposit Karet Alam

Terisi Silika

Rieska Wulandari Sianturi, Indra Surya

48

Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 7, No. 1 (Maret 2018)

1

KENDALI SISTEM BIOREAKTOR KONTINYU

CONTROL OF A CONTINUOUS BIOREACTOR

Rudy Agustriyanto

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Surabaya, Jl. Raya Kalirungkut, Surabaya, 60293, Indonesia

Email: rudy.agustriyanto@staff.ubaya.ac.id

Abstrak

Tujuan dalam industri bioproses umumnya adalah memaksimalkan pertumbuhan mikroba dan / atau

produksi beberapa senyawa yang dihasilkan oleh mikroorganisme. Untuk mencapai hal ini dengan cara

yang efisien, maka diperlukan untuk menjaga lingkungan yang sesuai untuk mikroorganisme setiap saat.

Tujuan utama penelitian ini adalah untuk menerapkan algoritma kendali PI (Proporsional integral) dan

PID (Proporsional Integral Derivative) untuk suatu sistem bioproses. Kriteria Bode kemudian diterapkan

untuk memeriksa kestabilan sistem diikuti dengan penentuan parameter pengendali menggunakan metode

TLC (Tyreus-Luyben). Hasil simulasi lintas tertutup menunjukkan kinerja pengendalian yang dapat

diterima.

Kata kunci: Bioproses; Bode; kendali PID; stabilitas

Abstract

The aim in an industrial bioprocess is commonly to maximize microbial growth and / or production of some

compound produced by microorganisms. To achieve this in an efficient manner, it is necessary to maintain a

suitable environment for the microorganisms at all times. The main objective of this research is to

implement PI (Proportional Integral) and PID (Proportional Integral Derivative) control algorithm to the

bioprocess system. The Bode criterion were then applied to check its stability followed by determining

controller parameters using TLC method (Tyreus-Luyben). Closed loop simulation results were presented

and it is found that TLC performance give acceptable results.

Keywords: Bioprocess; Bode; PID control; stability

Pendahuluan

Salah satu aspek penting dalam pengendalian

bioproses adalah operasional real time yang stabil,

tidak rentan terhadap berbagai gangguan, dekat

dengan suatu keadaan tertentu atau profil yang

diharapkan yaitu suatu kondisi operasi yang optimal

[5]. Pengendalian bioproses sendiri dapat

didefinisikan sebagai menyediakan lingkungan yang

dekat optimal agar mikroorganisme dapat tumbuh

berkembang biak dan menghasilkan produk yang

diinginkan. Termasuk didalamnya menyediakan

konsentrasi nutrisi yang tepat (misal karbon, nitrogen,

oksigen, fosfor, sulfur, mineral), menghilangkan

produk metabolik toksik (misal CO2) dan

mengendalikan parameter seluler penting (misal pH,

suhu).

Model dinamika untuk suatu sistem bioreaktor

telah tersedia [7]. Berdasarkan model dari Riggs dan

Karim tersebut, Agustriyanto [1] mendapatkan fungsi

hantar orde satu dalam domain Laplace,yang

kemudian berhasil dikendalikan dengan pengendali PI

[2]. Hasil simulasi lintas tertutup dengan pengendali

PI yang disetel dengan metode sintesa langsung telah

dipresentasikan [2].

Tujuan penelitian ini adalah menganalisa

kestabilan sistem bioproses yang ditinjau dengan

menggunakan kriteria kestabilan Bode, kemudian

melakukan penyetelan pengendali dengan metode

Tyreus-Luyben.

Teori

Kriteria Kestabilan Bode

Diagram Bode menunjukkan karakteristik

response frekwensi suatu sistem [4, 6] dan terdiri atas

sepasang plot yang menampilkan:

• Plot logaritmik rasio amplitudo (AR) vs logaritmik

frekwensi (ω)

• Plot sudut fasa (φ) vs logaritmik frekwensi (ω)

Untuk menggunakan plot Bode, perlu dipahami

definisi frekwensi cross-over (ωco) yaitu frekwensi

dimana kelambatan fasa nya -180º.

Kriteria kestabilan Bode menyatakan bahwa pada

saat frekwensi cross-over, jika log modulus kurang

dari 0 dB, maka sistem adalah stabil.

Metode Penyetelan Pengendali TLC (Tyreus-

Luyben)

Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 7, No. 1 (Maret 2018)

2

Segera setelah Bode plot tersedia, maka

parameter pengendali dapat ditentukan menurut

Tyreus-Luyben (TLC Tuning). Tabel 1 menunjukkan

aturan penyetelan pengendali menurut Tyreus-

Luyben. Tampak bahwa parameter pengendali adalah

fungsi Ku dan Pu, dimana:

AKu

1 = ultimate gain (1)

couP

2 = ultimate period (2)

A = harga amplitude rasio pada saat frekwensi

cross-over (3)

Tabel 1. Aturan TLC untuk PI dan PID

Pengendali Kc τI τD

PI

2,3

uK

2,2 Pu

PID

2,2

uK

2,2 Pu

3,6

uP

Metodologi Penelitian

Sistem Bioreaktor

Sistem bioreaktor yang dipelajari disini [7]

ditunjukkan pada Gambar 1. Model dinamika untuk

sistem ini adalah sebagai berikut:

xxV

F

dt

dx Vmax (4)

xY

SV

FS

V

F

dt

dS

xS

VF

Vmax

1 (5)

xY

PV

F

dt

dP

xP

Vmax

1 (6)

Diasumsikan bahwa pertumbuhan sel mengikuti

kinetika Monod dan sebagian besar substrat

dikonsumsi oleh sel. Parameter dan variabel proses

diberikan pada Tabel 2.

Pada industri, biasanya digunakan filter untuk

semua aliran masuk dan keluar bioreaktor untuk

menjaga kondisi steril, namun tidak ditunjukkan pada

gambar di atas.

Umpan yang mengandung gula sebagai

substrat (S) dari jagung atau biji-bijian lainnya (seperti

gandum, beras, barley dsb) dan garam nutrisi untuk

mendukung pertumbuhan sel (X). Sel (X)

mengkonsumsi substrat (S) dan menghasilkan produk

(P) dan CO2. Suatu blower udara memberikan

oksigen kepada sel. Gas keluar terdiri atas nitrogen

dari udara, oksigen yang tidak terkonsumsi, dan

karbondioksida yang dihasilkan sel dari konsumsi

gula. Konsentrasi sel diukur dengan suatu

turbidimeter, konsentrasi substrat diukur dengan

HPLC on-line.

Gas Keluar

Udara

Produk

Blower

PompaTanki Umpan

Gambar 1. Sistem Bioreaktor Kontinyu

Tabel 2. Parameter proses dan harga steady state

Symbol Parameter

dan Variabel

Harga Satuan

Fv Laju alir umpan 1000 L/j

Ks Konstanta saturasi

Monod

0,1 g/L

P Konsentrasi produk

dalam reaktor

1,25 g/L

S Konsentrasi substrat

dalam reaktor

25 g/L

SF Konsentrasi substrat

pada umpan

50 g/L

t Waktu h

V Volume reaktor 5000 L

x Konsentrasi sel dalam

reaktor

0,25 g/L

YxP Yield faktor 0,2 g-sel/g-

produk

YxS Koefisien yield 0,01 g-sel/g-

substrat

μmax Laju pertumbuhan

spesifik maksimum

0,2 j

Fungsi Hantar Sistem Bioreaktor

Studi dinamika dalam domain waktu

memerlukan solusi langsung dari persamaan

diferensial. Namun untuk keperluan analisis dan

desain pengendalian, lebih disukai untuk mendapatkan

fungsi hantar dalam domain Laplace.

Fungsi hantar untuk sistem tersebut di atas

telah ditentukan sebelumnya [1] dengan

Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 7, No. 1 (Maret 2018)

3

menyelesaikan 3 persamaan differensial (Pers.4-6) dan

memperhatikan parameter dan harga steady state

pada Tabel 2 dengan menggunakan Differential

Equation Editor (DEE) pada Matlab. Hasil simulasi

kemudian diidentifikasi dengan menggunakan System

Identification Toolbox.

Fungsi hantar sistem bioreaktor kontinyu

tersebut adalah sebagai berikut:

P

S

x

=

1100

025.0

1663.96

54813.0

1100

005.0

s

s

s

vF (7)

Hasil dan Pembahasan

Pada sistem ini, produk (P) akan dikendalikan

dengan memanipulasi laju alir umpan (Fv).

Diasumsikan terjadi waktu tunda dari pengukuran

konsentrasi produk sebesar 5 menit sehingga untuk

keperluan pembuatan diagram Bode, fungsi hantar

antara produk terhadap laju alir umpan menjadi

sebagai berikut:

s

V

esF

P 5

1100

025.0

(8)

Gambar 2 menunjukkan diagram Bode untuk

sistem bioreaktor kontinyu. Dari diagram Bode

diperoleh harga frekwensi cross-over sebesar 0,944

dan amplitudo sebesar 0,000266 pada saat frekwensi

cross-over, sehingga harga ultimate gain dan ultimate

period dapat ditentukan:

3759uK

6599,6uP

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

-2880

-2160

-1440

-720

0

720

Phase (

deg)

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

Magnitude (

abs)

Gambar 2. Diagram Bode

Sesuai kriteria kestabilan Bode, sistem adalah

stabil karena harga amplitudo rasio kurang dari 1 (log

modulus kurang dari nol) pada saat frekwensi cross

over. Harga parameter pengendali ditunjukkan pada

Tabel 3, yang dihitung menurut Tabel 1.

Tabel 3. Harga parameter pengendali

Pengendali Kc τI τD

PI -1175 14,65

PID -1709 14,65 1,06

Gambar 3 menunjukkan plot konsentrasi (P) vs

waktu untuk pengendali PI dan PID yang

dibandingkan dengan perubahan set point yang

dilakukan, yaitu dari kondisi steady state (1,25 g/L)

diubah harganya menjadi 1,24 g/L pada saat t=0

(mula-mula) kemudian pada saat t=200 dinaikkan

menjadi 1,225 g/L dan akhirnya kembali ke 1,25 g/L

pada saat t=300.

Tampak dari Gambar 3, bahwa sistem kendali

yang disetel dengan metode TLC memiliki kinerja

yang memuaskan baik PI maupun PID, dan

memberikan hasil yang mirip. Variabel yang

dikendalikan (P) mampu meresponse dengan baik

terhadap perubahan set point (fungsi servo). Begitu

pula, dari Gambar 4 tampak bahwa profile variable

yang tidak dikendalikan (sel dan substrat) berubah

dimana kinerja PI dan PID hampir sama sehingga plot

PI dan PID seperti segaris dan tidak tampak

perbedaaannya.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5001.18

1.19

1.2

1.21

1.22

1.23

1.24

1.25

1.26

Waktu, [jam]

Konsentr

asi P

roduk,

P,

[g/L

]

Set point

PI

PID

Gambar 3. Plot konsentrasi produk (P) vs waktu untuk

pengendali PI dan PID

Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 7, No. 1 (Maret 2018)

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000.235

0.24

0.245

0.25

0.255

Waktu, [jam]

Konsentr

asi S

el, x

, [g

/L]

PI

PID

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50024.5

25

25.5

26

26.5

Waktu, [jam]

Konsentr

asi S

ubstr

at,

S,

[g/L

]

PI

PID

Gambar 4. Plot konsentrasi sel (x) dan substrat (S) vs

waktu

Kesimpulan

Hasil analisa kestabilan Bode menyatakan

bahwa sistem yang dipelajari adalah sistem yang

stabil. Untuk memudahkan penyetelan pengendali,

digunakan asumsi waktu tunda sebesar 5 menit pada

fungsi hantar karena sistem orde satu tanpa fungsi

hantar akan kesulitan dalam mendapatkan frekwensi

cross-over. Penyetelan pengendali dengan metode

TLC telah dilakukan untuk tipe PI dan PID dan

memberikan kinerja yang baik (Gambar 3 dan 4).

Ucapan Terimakasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada

Universitas Surabaya.

Daftar Pustaka

[1] Agustriyanto, R., Simulation of Continuous

Bio-Reactor, Proceedings of the International

Conference of Chemical Engineering on Science

and Applications (The 8th Chesa 2015), 9-11

September 2015, Banda Aceh Indonesia.

[2] Agustriyanto, R., (2016), PI Control of a

Continuous Bio-Reactor, Proceedings of the

6th Annual International Conference (AIC

2016), October 4-6, 2016, Banda Aceh

Indonesia.

[3] Alford, J.S., (2006), Bioprocess Control:

Advances and Challenges, Computers and

Chemical Engineering, 30 (10-12), 1464-1475.

[4] Coughanowr D R, (1991), Process Systems

Analysis and Control, McGraw Hill, New York.

[5] Dochain D, (2008), Bioprocess Control, John

Wiley and Sons, Inc.

[6] Luyben, W.L., (1996), Process Modeling,

Simulation and Control for Chemical Engineers,

McGraw Hill, New York.

[7] Riggs J B, Karim M N, (2006), Chemical and

Bioprocess Control, Pearson Prentice Hall.

[8] Tomas B. Co, 2017. Ziegler-Nichols Method.

<http://www.chem.mtu.edu/~tbco/cm416/zn.ht

ml> diakses pada 5 January 2017.